一種文冠果破殼機設計

穆合塔爾·穆喀熱普,亞森江·白克力,穆尼萊·艾爾肯,瑪伊熱·約麥爾,依克沙尼·買買提江,古麗米熱·克然木

(新疆農業大學 機電工程學院,烏魯木齊 830052)

0 引言

文冠果被譽為“生命之果”,珍稀而又獨特。它富含多種維生素和礦物質,對身體健康有著很好的促進作用,在藥用方面也起著重要的作用。文冠果在生態環境中具有綠化荒山、水土保持、防風固沙等重要作用,有著重要的社會價值[1]。最關鍵是文冠果非常適合生長在荒漠地區,新疆栽種面積達到千萬畝以上,是新疆特色林果發展中的重要部分,并且有望更大限度地彌補我國食用植物油的缺口。此外,文冠果產后加工也可為新疆帶來數億元的經濟收入。破殼是文冠果深加工的首道加工工序,以機械化作業提高文冠果破殼效率,是提高品質、降低生產成本的重要途徑。

目前,市場上各類破殼機械均已發展的較為成熟。李忠新等[2]研究了一種核桃破殼取仁設備,該破殼機精巧、結構簡單且操作方便,破殼效率高,能使核桃充分破殼。隨著農業現代化程度的不斷提高,研究人員對堅果類物料物理特性做了大量的研究[3]。韓本勇等[4]對核桃的的外形尺寸、厚度,以及果肉和果殼的密度等進行了測量,這對核桃加工設備的研究和殼仁分離工藝有極大的參考價值。曹成茂等[5]設計山核桃二次破殼取仁機,能夠最大限度地保證破殼的成功率和果仁完整性。目前,市場針對文冠果的破殼機械相對較少,破損率高,機械使用效果不佳,并未得到廣泛的推廣應用。

本文設計的文冠果破殼機能夠自動完成破殼過程,還可根據不同尺寸、硬度和濕度等因素進行調整,適應各種品質的文冠果。此外,使用文冠果破殼機還可以減少人力成本,降低食品污染風險。手工操作容易出現微小劃傷或細菌感染等問題,通過機械化處理可以保持一定程度上的衛生與安全。

1 文冠果的物理特性參數

文冠果呈橢圓形或卵圓形,殼堅硬,尺寸、重量和大小因品種而異,常見品種有金鄉文冠果、沙田柚文冠果、火龍果文冠果、紅心文冠果等,本文參考的是金鄉文冠果。為保證樣本具有代表性和數據分析的可靠性,采用隨機抽樣方法,樣本容量達到100個以上。通過測量,金鄉文冠果殼厚度一般在0.5～2.0 mm,間隙大小在0.5～2.0 mm,密度一般為0.7～1.1 kg/m3,破殼載荷在200～400 N,變形量為1～3 mm。文冠果的長、寬、厚標準及占比示意圖如圖1所示,基本尺寸如圖2所示。

圖1 文冠果的長厚寬的標準及占比示意圖

圖2 文冠果的基本尺寸

根據圖1可知,在100個樣本中質量范圍在25～30 g的文冠果占77%～94%,其中長、寬、厚尺寸分別為L=66 mm,T=57 mm,W=54 mm。文冠果品種、尺寸大小和質量可能會因生長環境、季節、成熟度和其他因素而有所不同。

2 整機結構

文冠果破殼機主要由機架部分、分級部分、破殼部分和殼仁分離部分組成(圖3)。首先,機架部分固定各個部件;其次,分級部分對待破殼的文冠果進行分級;再次,主從滾筒擠壓果實完成第一次破殼;接著,三葉打板快速運轉完成二次破殼工作;最后,由風機完全分離并分開進行收集。該文冠果破殼機的設計參數如表1所示。

表1 一種文冠果破殼機的設計參數

1.進料口;2.滾筒側板;3.主動齒輪;4.風機;5.殼仁分離部分;6.三葉打板的v帶輪;7.v帶;8.出仁口;9.電機;10.機架;11.凹型擋板;12.落料斗;13.滾筒間距調節手輪;14.破殼部分;15.從動齒輪;16.分級部分

3 工作原理

文冠果破殼機的破殼原理,對獲取高質量的果仁、提高凈收獲率以及果仁完整性至關重要。文冠果破殼機是通過機械力將文冠果破殼,具體來說,文冠果在經過一定處理后,被輸送到破殼機的進料口,破殼機內部有一個旋轉式破殼器(破殼部分),它以一定的速度旋轉,將文冠果強制壓入破殼器中,從而使果皮和果核分離,果殼經出殼口排出,果仁則繼續向前輸送。工作原理簡圖如圖4所示。

圖4 工作原理簡圖

破殼機采用高速旋轉的刀片,將文冠果從外面切割,把果仁與果殼分離,實現文冠果破殼的目的。同時,破殼機設有殼仁分離部分,可對文冠果進行分級篩選,達到不同規格的破殼要求。整個過程由電機驅動,自動化程度高,效率穩定。

4 主要零部件設計

4.1 殼仁分離部分設計

文冠果完成破殼后,果仁和果殼的分離也尤為關鍵,最終分離的程度也極大地影響了機器的整體性能評估,如果含雜率過高,就會導致人工必須進行二次分離工作,這無疑加大了工作量,浪費時間,所以文冠果殼仁分離工作至關重要。

本文設計出仁口的尺寸為180 mm×180 mm,風機外殼直徑為460 mm、出殼口尺寸為150 mm×160 mm,整個分離機構的高度為920 mm。風力管道通過進口法蘭連接在風機的軸向進口上[6],考慮到風機動力的提供,采用了與從動滾筒共用一根軸的設計,一個動力源提供了整個機器的動力供給和動力傳遞,不僅減少了動力源數量,放在側面還解決了機身過高的問題。具體結構示意圖,如圖5所示。

1.出仁口;2.出殼口;3.齒輪傳動;4.風機

本文設計主要根據文冠果果殼和果仁密度(物理特性)的不同進行分離方案的確定,由于殼仁的密度不同,導致兩者的懸浮度有著很大的差距,所以采用風力清選的方法進行分離[7]。其工作原理是在文冠果經破殼處理后,其殼仁混合物沿著落料斗經機械的震動慢慢落入風力管道下方,通過風機產生的風力,將文冠果果殼吸入到分選中,由風機中的葉片將其從風機的出殼口吹出;而果仁相對密度大,懸浮速度也大,所以受重力影響從風力管下方的出仁口落下,進行果仁的集中收集工作。

4.2 擠壓滾筒的設計與受力分析

4.2.1 擠壓滾筒的設計

擠壓滾筒是文冠果破殼機中最核心的裝置,為了滿足破殼要求,將其設計為變徑的圓柱滾筒,大徑為350 mm,小徑為340 mm,直徑變化為10 mm。滾筒長度為1 000 mm,分別固定在主動、從動滾筒軸上(圖6)。擠壓滾筒一般采用硬度較高、耐磨損性能好的不銹鋼材料制造,以確保其使用壽命和破殼效果。擠壓滾筒轉速設置合理,轉速800 r/min以上,圓周速度為15～30 m/s,合理的轉速有利于提高滾筒的沖擊度和耐磨性[8]。滾筒表面有規律地附著菱形花紋,其目的是為了增大破殼過程中的摩擦力和破殼的鉗入角。

1.主動滾筒軸;2.從動滾筒軸;3.從動滾筒;4.主動滾筒;5.滾筒側板

4.2.2 文冠果破殼受力分析

破殼裝置在工作區域內,文冠果受到自身重力F和擠壓輥給予的正壓力N1、N2以及摩擦力F1、F2的作用,圖7為文冠果的受力分析。其中,擠壓輥產生的正壓力和摩擦力是實現文冠果破殼的主要作用力,文冠果破殼所受N1、N2、F1、F2水平方向分力對文冠果進行擠壓,N1、N2、F1、F2豎直方向分力對文冠果進行剪切,使裂紋進一步擴大,碎殼間發生相對錯動和滑移,從而實現文冠果的碾搓擠壓破殼[9]。

圖7 文冠果破殼受力分析圖

文冠果擠壓破殼的起始點A1、A2與擠壓輥中心連線所構成的角度α1、α2,擠壓角度越大,文冠果所受的擠壓力就越大,從而容易產生破裂,如式

(1)

(2)

式中μ—文冠果與擠壓輥間的摩擦系數;

φ—文冠果與擠壓輥間的夾角,(°)。

要使文冠果能順利進入擠壓間隙,豎直方向必須滿足

F1cosα1+F2cosα2+G>N1sinα1+N2sinα2

(3)

由于文冠果的重量遠小于自身受到的力,即

F1cosα1+F2cosα2>N1sinα1+N2sinα2

(4)

將式(1)、式(2)代入式(4)中,得到α<φ,實現文冠果破殼。

4.3 三葉打板的設計

4.3.1 主要參數

三葉打板(圖8)是文冠果破殼機進行二次脫殼的機構,其主要參數為:三葉打板長度1 000 mm,葉片夾角120°,三葉打板軸長度1 270 mm,轉速200～300 r/min,葉端線速度3～15 m/s,適用黏度可達5×103mPa·s。三葉打板一般采用硬度較高的不銹鋼材料制作,以保證其在高速旋轉時不會變形或者磨損。由于文冠果在第一次擠壓時,存在一部分果殼和果仁沒有完全分離開,所以設計了三葉打板進行二次破殼,在高速轉動的狀態下擊打掉落的殼仁混合物,擊打至凹型擋板的位置,再落入到落料斗內進行下一步的工藝操作,從而達到文冠果二次脫殼的效果,大幅提升了文冠果的剝凈率[10-11]。

1.轉軸;2.葉片;3.圓柱體連接部分

4.3.2 軌跡方程

三葉打板的軌跡方程依賴于多個因素,如三葉打板的轉速、葉片長度、葉片形狀、三葉打板的安裝高度等。一般情況下,三葉打板的軌跡可以近似看作一個圓錐曲線或者球面曲線,以下是2種常見情況下三葉打板的軌跡方程。

1)假設三葉打板的轉速為ω,葉片長度為L,三葉打板安裝高度為h,那么三葉打板產生的風力,在距離三葉打板中心的水平距離為x、高度為y,可用下面的圓錐曲線方程來表示

y2=x(x-1)×(h-x)/(h-1)

(5)

2)假設三葉打板的葉片形狀為圓環形,半徑為r,三葉打板的轉速為ω,那么三葉打板產生的風力,在距離三葉打板中心的距離為d、高度為h,可用下面的球面曲線方程來表示

(x2+y2+z2-r2)2=4r2(x2+y2)

(6)

其中,x、y、z分別表示三葉打板產生的風力矢量在三個坐標軸上的分量。

4.4 主要零部件的參數計算

破殼機(樣機)選用電機型號為Y160L-8,電機功率7.5 kW,轉速720 r/min,額定電流15.4 A,額定電壓380 V,頻率50 Hz,使用帶傳動和齒輪傳動,傳動方案簡圖如圖9所示。

1.電機;2.大帶輪傳動;3.齒輪傳動;4.擠壓滾筒;5.三葉打板;6.小帶輪傳動

5 軸的設計

5.1 軸的材料及選擇

軸的材料選擇45鋼,經調質處理。

先初步估算軸的最小直徑。根據《機械設計手冊》[12]表15-3,取d0=706 mm2,得

(7)

得出dmin=28.75 mm,選取d1=30 mm。

由于軸較長,為降低制造加工難度,故選調心球軸承,根據軸承的尺寸確定d1=30 mm,軸承選用6208,選取d2=40 mm,d3=50 mm,d4=60 mm,L1=80 mm,L2=65 mm,L3=50 mm,L4=1 020 mm。主動滾筒軸結構示意圖,如圖10所示。

圖10 主動滾筒軸結構示意圖

5.2 軸的受力分析與校核

1)主動軸傳遞的扭矩

(8)

式中P—傳遞功率,6.9 kW;

n—輸入轉速,n1=720 r/min;

帶入公式可得,T=91.5 N·m。

軸的受力分析:

水平面的受力分析得,F1=142 N;

垂直面的受力分析得,F2=251 N。

計算軸的彎矩:

水平彎矩

MH1=F1L1=168 N·m

(9)

垂直彎矩

Mv1=F1L1=133.1 N·m

(10)

合成彎矩

(11)

2)按彎扭組合強度條件校核軸的強度

根據下列公式,取α=0.6,則有

(12)

式中σc—軸的計算應力,MPa;

Mca—軸所受的彎矩,N·m;

T—軸所受的扭矩,N·mm;

由式(12)計算可得σca=45.65 MPa。

σca<[σ-1]=60 MPa

(13)

所以主動軸安全,符合要求。

6 三葉打板靜力學仿真分析

本文根據關鍵部件的設計分析,在SolidWorks軟件中對文冠果破殼機關鍵部件進行三維建模,經過校核檢驗,證明各結構參數符合設計要求,零部件之間不存在干涉現象。此外,使用SolidWorks-Simulation 靜應力新算例程序進行應力測試。測試中,將三葉打板暴露在逐漸增加的載荷下,記錄每個部位的最大應力,并進行求解分析。通過試驗分析得到,三葉打板在受到逐漸增加的載荷后,最大應力出現在三葉打板離軸心最遠段處,但沒有超過材料的屈服力,獲得三葉打板的應力-應變模擬狀況后,得到相應應力和位移變形結構比較圖(圖11)。

圖11 三葉打板應力和位移變形結構比較圖

由靜力學程序運行結果分析可知,三葉打板的最大應力為60 MPa,遠小于三葉打板材料的屈服強度極限,最大位移變形量為0.30 mm,最大應變量為0.34 mm。對文冠果破殼機三葉打板結構而言,此影響可忽略不計,故三葉打板選材合理,能夠滿足作業強度要求,可以提高產品的質量和穩定性。

7 結語

1)本文設計了一種能夠同時完成分選、分離為一體的文冠果破殼機。介紹了文冠果的物理特性參數、受力特性,以及三葉打板和擠壓滾筒配合進行二次破殼的工作原理,對文冠果破殼機各工作部件進行了分析。

2)本文進行多次仿真模擬試驗和結構參數優化設計,對零部件之間的配合進行了干涉檢查,機具各主體結構進行了結構原理分析,確認結構設計合理。另外,對三葉打板進行了靜力學仿真分析,仿真結果表明,三葉打板轉速為200～300 r/min,最高葉端線速度可達15 m/s;擠壓滾筒轉速800 r/min,圓周速度為15～30 m/s,能夠有效分離文冠果的果仁與果殼,滿足機械化開發的要求,改良和完善現有的生產結構。

3)本文設計的文冠果破殼機對文冠果的產后加工具有重要意義,可為新疆維吾爾自治區帶來數億元的經濟收入。通過機械化作業,極大方便了人們對文冠果的食用,降低了勞動強度和加工成本,為文冠果產業的可持續發展提供有力支撐。